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Color Bleeding in dynamischen Szenen

 
: Danch, Daniel
: Stork, André; Gierlinger, Thomas

Weimar, 2008, 157 S.
Weimar, Univ., Dipl.-Arb., 2008
Deutsch
Diplomarbeit
Fraunhofer IGD ()
global illumination; photorealistic rendering; interactive rendering; Precomputed Radiance Transfer (PRT)

Abstract
Sekundäre Beleuchtungseffekte sind ein integraler Bestandteil der fotorealistischen Bildsynthese. Bestehende Verfahren aus dem Umfeld des Precomputed Radiance Transfer (PRT) berücksichtigen das Interreflexionsphänomen ausschließlich im Kontext statischer Szenen. PRT-basierte Verfahren für die Bildsynthese in dynamischen Szenen beschränken sich hingegen auf die alleinige Simulation von Verschattungseffekten. In der vorliegenden Diplomarbeit werden bestehende feldbasierte PRT-Verfahren um eine neuartige Transportoperatorrepräsentation für niederfrequente Beleuchtungseffekte erweitert. Das beschriebene Verfahren ermöglicht die effiziente Interreflexionsberechnung in starr-dynamischen Szenen, wobei sowohl Objekte als auch Lichtquellen interaktiv zur Laufzeit manipuliert werden können.
Die stetige Form des entwickelten Transportoperators bildet global eingehende Strahlungsdichte für eine Szenenentität in eingehende Strahlungsdichte im freien Raum um diese ab. Seine 7-dimensionale Kernfunktion beschreibt die Transformation von eingehender Strahlungsdichte in eingehende Strahlungsdichte nach der Interaktion mit einem Objekt. Analog zu bisherigen Ansätzen wird während der Akquisitionsphase die direktionale Komponente mittels Kugelfunktionen diskretisiert. Für die Ortskomponente wird ein interpolativer Projektionsansatz gewählt. Mit dem Ziel die Approximationsgüte zu verbessern, werden zudem die Objekte einer Szene vorab einem Segmentierungsprozess unterzogen. Zusätzlich zu der Akquisition des Transportoperators erfolgt die Tabellierung der Verschattungseffekte einer Szene.
Die Bildsynthesephase des vorgestellten Verfahrens ist in zwei Schritte unterteilt. Unter Berücksichtigung der Interreflexionseffekte benachbarter Segmente wird zunächst die akkumulierte eingehende Strahlungsdichte für jedes der die Szene definierenden Segmente bestimmt. Hierbei wird der direkt eingehende Strahlungsdichteanteil mit der vorberechneten Verschattungsrepräsentation moduliert. Der indirekte Anteil ergibt sich aus der rekursiven Propagation der eingehenden Strahlungsdichte in der Szene unter Verwendung der entsprechenden Repräsentationen für den Transportoperator sowie der Verschattung. In einem abschließenden Arbeitsschritt wird die abgehende Strahlungsdichte für jeden Oberflächenpunkt einer Szene bestimmt. Zu diesem Zweck wird zunächst die eingehende Strahlungsdichte, die sich aus direkt eingehender und interreflektierter Strahlungsdichte zusammensetzt, für jeden Oberflächenpunkt bestimmt. Im Anschluss wird dann die abgehende Strahlungsdichte durch eine einfache Faltung mit der BRDF des Oberflächenpunktes erhalten.
In dieser Diplomarbeit wurde ein neuartiges, PRT-basiertes Renderingverfahren entwickelt, welches bestehende feld-basierte Verfahren für dynamische Szenen um den Aspekt der Interreflektion mit beliebiger Rekursionstiefe erweitert. Obwohl lediglich eine CPU-basierte Implementierung realisiert wurde, konnten interaktive Reaktionszeiten für Szenen mittlerer Komplexität erreicht werden. Zukünftig ist eine Portierung des Verfahrens auf die GPU geplant. Zudem sollen geeignete Kompressionstechniken den Speicherverbrauch minimieren helfen.

 

Secondary lighting effects are a vital component for rendering realistic images. Previously presented PRT-based methods either only consider interreflections in the context of static scenes or account just for simple shadowing effects when dealing with dynamic scenes. In my diploma thesis I extend existing field-based PRT rendering techniques by a new light transport operator representation for low frequency illumination. The method allows efficient interreflections computation in rigid-dynamic scenes with convincing simulation results. Both objects and light sources can be manipulated interactively at runtime.
The proposed continuous light transport operator maps global incident radiance on a scene entity into incident radiance in the surrounding free space of the entity. Its 7-dimensional kernel characterizes how direct incident radiance is transformed into indirect incident radiance after the interaction with an object. In analogy to previous methods I discretize the directional component by a spherical harmonics expansion. For the spatial component I use an interpolative projection scheme. To reduce the approximation error I apply a segmentation step to an object in advance. In addition I tabulate the shadowing effects of segments in a similar manner.
The rendering process is divided into two steps. First I compute the accumulated incident radiance on a per segment basis considering the interreflection effects of neighbouring segments. In order to determine the direct fraction I modulate the emitted radiance in a scene by the precalculated shadow representations. Then the indirect fraction is calculated by recursively redistributing incident illumination in the scene utilizing the transport operator and shadow representations accordingly. The final step consists of calculating the outgoing radiance for the surface points in the scene. For this purpose I first calculate the incident radiance at each surface point taking into account direct and interreflected illumination. Then I perform a simple convolution operation with the BRDF at that point.
In my diploma thesis I have developed a new PRT rendering method which adds multiple-bounce light interreflection to existing field-based techniques for dynamic scenes. Although the implementation is yet solely CPU-based I achieve interactive framerates in scenes with medium complexity. In the future, I plan a GPU-based implementation. Moreover, I am interested in additional compression techniques to further reduce storage costs.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-83988.html